2003年，大學畢業前夕，由胡玫執導陳寶國、焦晃、歸亞蕾主演的歷史正劇《漢武大帝》開拍，杜淳參加劇組試鏡，試的是劉謙一角，導演看了杜淳的試戲錄像后，卻敲定他出演有16個演員參與競爭的青年漢武帝一角。該劇于2005年播出，杜淳的演技獲得肯定，并得到父親的認可，他的演藝生涯從此拉開帷幕?！稘h武大帝》之后，杜淳出演了黃曉明、陳道明主演的電視劇《大漢天子2》飾演李勇，和電視劇《少女總裁》飾演江南雨。2005年，客串古裝劇《大宋提刑官》。2006年，參演無厘頭古裝劇《江湖俏佳人》，出演男主角黑木。
2007年，杜淳與李彩樺、溫兆倫、崔林聯袂主演由香港導演袁英明執導的古龍劇《大旗英雄傳》，飾演鐵血柔腸的少俠鐵中棠，這是他首次擔任第一男主角，該劇奪得2007年度“最佳古裝劇”、“央視優秀劇”、“最受歡迎武俠劇”獎項。同年參演改編自同名紅色經典電影的電視劇《51號兵站》，飾演男一號“小老大”梁宏，杜淳演繹的“小老大”梁宏沉著勇敢、機智過人、文武雙全，被譽為“青春革命偶像”，榮獲2007年度南方影視盛典“年度最佳男主角獎”。與高圓圓主演年代劇《愛無悔》，飾演對愛情執著的高家餅鋪二師傅“杜浩然”。
2008年，再次出演紅色電視劇《敵營十八年》，飾演男一號江波，一個潛伏敵后智勇雙全的地下黨員，并演唱插曲《兩難》。
2009年，杜淳主演的以反映中國近代史上著名的三次人口遷徙之一電視劇《走西口》作為央視一套開年劇播出，杜淳飾演從學徒到商人再到革命志士的男一號“田青”，為國盡力散盡家財、仁義無雙的儒商形象給不少觀眾留下深刻印象，該劇以平均收視率9.60%創下2002年來央視開年戲收視紀錄；榮獲第十一屆“五個一工程獎”和2010中國電視劇滿意度調查華鼎獎“最佳電視劇”獎。
2010年，參演偶像劇《租個女友回家過年》，飾演飾演男一號龍門古鎮的孫氏后代孫翌偉，杜淳飾演的孫翌偉以日薪五百的高薪租來薛佳凝假扮女友回家過年，以此引發的一系列親情、友情、愛情大混戰，被觀眾譽為“溫馨而有內涵的偶像劇”。出演電視劇《南下》，講述了南下干部的苦與樂，杜淳和李小冉在劇中苦戀，為觀眾展示了那個特定年代中艱難而痛苦的愛情。參演《青春期撞上更年期》出演男一號青年才俊猶豫糾結的青年作家鄧家齊，憑借此劇榮獲2011年中國大學生電視節年度“最受大學生喜愛男演員”獎。
2011年，參演由香港導演陳嘉上執導根據同名電影改編的電視劇《古今大戰秦俑情》，飾演男一號，與劇中的韓冬兒上演了一曲三生三世的愛情絕世戀歌。參演新版《水滸傳》出演西門慶一角。
2012年，主演由趙寶剛導演的電視劇《北京青年》，飾演從小混混到為父解憂的“靠譜青年”“何北”；參演愛情勵志電視劇《我的經濟適用男》，飾演的高富帥馮志豪。
2013年，主演都市情感劇《三十歲你好》，該劇直面而立之年的80后，講述了當代年輕人婚姻難、立業難的命題，播出之后引發眾多80后的共鳴。
2014年，與穎兒合作電影《誰說我們不會愛》，杜淳首度在電影中擔綱男一號，演繹一個有著豪車豪房，風流不羈的“富二代”。主演都市懸疑劇《美麗背后》，飾演精英律師林熠偉，并首次跨界擔任監制。
2015年，杜淳與Angelababy領銜主演改編自桐華同名小說的電視劇《大漢情緣之云中歌》，飾演男一號孟玨。主演由劉進執導的都市情感劇《老婆大人是80后》，飾演一位溫柔積極、無憂無慮的“三好萌男”呂不凡，演繹了一個平凡的“80后”小家庭一段既有歡笑，也有淚水的“逗比愛情”。同年，在湖南衛視創意實境真人游戲節目《全員加速中》擔任常駐嘉賓。
2016年，主演六六編劇的都市情感劇《女不強大天不容》，飾演高考文理科雙狀元的學霸“呂方成”，時間跨度十七年。主演電視劇《熟男養成記》，飾演武校畢業生費仲杰，一位陽光暖男，在工作和生活的磨練中堅強成長；出演程耳執導的電影《羅曼蒂克消亡史》，飾演只收路費的殺手。出演科幻電影《三體》，飾演天才數學家魏成；在湖南衛視綜藝節目《旋風孝子》中擔任常駐嘉賓，與父親杜志國回到家鄉共同生活6天5夜。擔任湖南衛視綜藝節目《全員加速中》第二季常駐嘉賓。 并登上央視春晚，與蔣欣、汪曉敏合作表演民族歌舞《在你偉大的懷抱里》。
2017年，主演我國首部維和題材電視劇《維和步兵營》，首次挑戰現代軍人的角色，飾演堅毅冷峻的林浩楠。2018年，擔任制片人并與葛優、岳云鵬合作主演電影《斷片之險途奪寶》。
2019年，主演科幻懸疑題材電視劇《無主之城》，飾演臉上有疤心中有傷的羅燃。同年出演管虎執導的抗戰題材電影《八佰》，飾演524團團附謝晉元。同年，參與央視“故事里的中國”欄目第二期節目的錄制，飾演小說《平凡的世界》中的主人公孫少平。10月23日，主演的懸疑刑偵劇《時空來電》播出，在劇中飾演剛正不阿，充滿正義感的警官曹征。
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